吳浩宇 宋之鍇 龍 威 周小平

(1.湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院 湖北武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué)綠色輕工業(yè)材料湖北省重點實驗室 湖北武漢 430068)

隨著科技的發(fā)展，人們對汽車安全性提出了更高的要求。剎車片是汽車剎車系統(tǒng)中最重要的組成部分，剎車片質(zhì)量直接影響車輛行駛安全[1]。性能優(yōu)異的剎車片可以提供穩(wěn)定適宜的摩擦因數(shù)、低磨損率以及較小的制動噪聲[2]。樹脂基摩擦材料制備工藝簡單、成本低廉、力學(xué)性能優(yōu)良，是目前應(yīng)用最廣泛的汽車剎車片材料[3-5]。樹脂基摩擦材料通常由黏接劑、增強纖維、填料、潤滑組元等部分組成[6]，其中潤滑組元起到降低材料摩擦因數(shù)和磨損量的作用，其在調(diào)節(jié)摩擦性能方面的效果越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)固體潤滑劑石墨具有層片狀結(jié)構(gòu)，潤滑效果良好[7]，對降低材料摩擦因數(shù)和磨損量有較好的效果。但是由于石墨密度較小，與酚醛樹脂界面結(jié)合度不高[8]，會造成孔隙率的增加以及硬度和強度的降低[9]；另外摩擦?xí)r石墨有嚴重的脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損量較高[8,10]。

非晶合金(Amorphous Alloy)是近幾十年來發(fā)展迅速的新型材料，在快速凝固條件下，金屬熔體凝固過程中晶體相無法形核和長大，金屬原子來不及形成有序排列的晶體結(jié)構(gòu)相，呈現(xiàn)出長程無序、短程有序、宏觀均勻、各向同性的排列方式[11-12]。由于非晶合金獨特的結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)部不存在空位、位錯、晶界等缺陷，因此具有優(yōu)異的性能，如高強度、高硬度以及優(yōu)良的耐磨性等性能[13]。石巖等人[14]采用粉末冶金法及激光誘導(dǎo)表面改性制備了銅基非晶-納米晶摩擦材料，發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面改性后，材料中α-Cu相晶粒得到細化，并且材料硬度提升了12.7%，耐磨性能提升了45%，摩擦因數(shù)提升了1%。

石巖等人[14]的研究表明，非晶合金可以起到提升金屬基摩擦材料性能的作用，但是非晶合金在樹脂基摩擦材料中的應(yīng)用卻鮮見報道。Fe基非晶合金成本低廉[15]，具有超低的摩擦因數(shù)以及磨損率，在摩擦磨損性能方面表現(xiàn)優(yōu)異[16]，因此Fe基非晶在作為增強顆粒用于摩擦材料方面具有巨大的潛力，有望在增強材料力學(xué)性能的同時起到潤滑作用。本文作者采用Fe基非晶顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潤滑組元，探究非晶顆粒含量對酚醛樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能的影響規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

酚醛樹脂，200～300目，長春人造樹脂廠股份有限公司生產(chǎn)；Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末，500目，北京桑普斯瑞公司生產(chǎn)。

圖1所示為Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末XRD衍射圖?？梢钥闯觯?0°<2θ<50°處，非晶粉末出現(xiàn)單一彌散的漫衍射峰，且無其他晶體峰出現(xiàn)，說明非晶粉末由單一的非晶相結(jié)構(gòu)組成，無其他雜質(zhì)，具有良好的非晶結(jié)構(gòu)，可用于增強酚醛樹脂基摩擦材料的制備。

圖1 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末XRD衍射圖

1.2 摩擦材料制備及測試

稱取質(zhì)量分數(shù)分別為0、10%、20%、30%、40%、50%的Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末，利用QM-3SP4行星式球磨機與酚醛樹脂粉混合，轉(zhuǎn)速200 r/min，時間3 h；將混合后的原料放入模具中預(yù)熱，置于平板硫化機中熱壓成型，成型溫度170 ℃，壓力10 MPa，保壓8 min，冷卻后脫模；設(shè)定箱式爐溫度為180 ℃，將制得的試樣放入箱式爐中加熱使其固化完全。

利用HR-150A型洛氏硬度計測量試樣硬度，每塊試樣測量5次,取平均值作為最終硬度值。利用MFT-EC4000型高速往復(fù)摩擦磨損試驗機對制備的試樣進行干摩擦試驗，探究其摩擦學(xué)性能。試驗用對摩件材質(zhì)為GCr15。試驗參數(shù)為載荷20 N、頻率2 Hz、滑動距離5 mm、時間20 min。試樣體積磨損率按照阿查德方程[17-19]進行計算：

(1)

式中:K為體積磨損率，mm3/(N·m)；V為磨痕體積，mm3；p為施加的法向載荷，N；S為滑動距離，mm；b為磨痕寬度；R為對摩球半徑。

對摩擦磨損試驗后的試樣表面噴金，采用GeminiSEM 300型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察樣品的表面及磨痕形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料硬度的影響

樹脂基摩擦材料的硬度過大，壓縮形變過小，易產(chǎn)生制動過硬，且會在使用過程中產(chǎn)生噪聲。硬度過小，接觸面磨損嚴重，降低使用壽命[20-21]，60～80 HRB屬于較為合適的硬度范圍[22]。圖2所示為不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的洛氏硬度。

圖2 不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的硬度

由圖2可知，非晶顆粒的添加會使摩擦材料的硬度提升，這是由于非晶顆粒自身的硬度較高，且樹脂與非晶顆粒的機械結(jié)合較為緊密，使得材料對壓入載荷的抵抗力得到提升；隨著非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，這種抵抗力會持續(xù)增強，表現(xiàn)為摩擦材料硬度的提升。其中非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%、30%和40%的試樣硬度分別為62.1HRB、67.6HRB和73.6HRB，較基體分別提升了22.24%、 33.07%和44.88%，硬度大小適中，屬于較為理想的范圍。非晶質(zhì)量分數(shù)為50%的試樣硬度達到83.6HRB，但是較高的硬度會造成較大的使用噪聲，影響摩擦材料的實際使用。因此非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)為30%～40%較為合適，此時摩擦材料硬度最為理想。

2.2 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料微觀形貌的影響

圖3示出了不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的微觀形貌。圖3(a)中亮色部分為原料中的無機添加物，從圖中可以看到基體中存在裂紋，這是由于酚醛樹脂在固化過程中產(chǎn)生的氣體沒有及時排出，從而導(dǎo)致裂紋及氣孔的產(chǎn)生，這一類缺陷是導(dǎo)致材料摩擦性能較差的主要原因。由圖3(b)—(f)可以看出，添加非晶顆粒后，材料裂紋及氣孔等缺陷得到改善。圖中圓形顆粒即為非晶顆粒，總的來看，非晶顆粒在基體中分布均勻，無團聚現(xiàn)象。由高倍SEM照片可以看出非晶顆粒與基體的機械結(jié)合緊密，酚醛樹脂固化后對非晶顆粒起到了較好的包覆效果。

2.3 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料摩擦磨損性能的影響

圖4所示為不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的摩擦因數(shù)隨時間變化曲線。可見，未添加非晶顆粒的試樣摩擦因數(shù)曲線波動較大，說明該試樣在摩擦過程中摩擦穩(wěn)定性較差，結(jié)合圖3(a)中結(jié)果，分析認為試樣中存在的氣孔等缺陷是造成材料摩擦穩(wěn)定性較差的主要原因。添加非晶顆粒后，材料組織更加均勻，各試樣的摩擦因數(shù)均有不同程度的降低，并且摩擦穩(wěn)定性均得到了提升。其中，非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)為10%的試樣由于添加量較低，摩擦過程中基體材料占據(jù)主導(dǎo)地位，非晶顆粒起到的潤滑作用相對較小，因此摩擦因數(shù)略高于20%、30%、40%質(zhì)量分數(shù)非晶顆粒填充的試樣，但摩擦穩(wěn)定性較無非晶顆粒的試樣已有很大程度的改善。非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)50%的試樣摩擦因數(shù)曲線進一步穩(wěn)定，但是摩擦因數(shù)高于其他4組非晶顆粒填充試樣。

圖4 不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)

圖5和圖6所示分別為不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的三維輪廓和對應(yīng)的磨痕剖面曲線，表1所示是試樣磨痕參數(shù)。結(jié)合圖5、圖6和表1可知，隨著非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)的逐漸增加，磨痕的寬度、深度和體積逐漸減小。

圖5 不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的三維輪廓圖

圖6 不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的磨痕截面輪廓

表1 不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)試樣磨痕參數(shù)

圖7所示為不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的平均摩擦因數(shù)和體積磨損率?？芍嚇拥捏w積磨損率隨著非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸降低，說明非晶顆粒起到了改善材料耐磨性的作用。其中當(dāng)非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)增加至50%時，試樣體積磨損率為0.125 7 mm3/(N·m)，較基體的體積磨損率1.09 mm3/(N·m)降低了88.47%。在非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)小于等于40%時，隨著非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)的增大，試樣的平均摩擦因數(shù)逐步降低，質(zhì)量分數(shù)40%時達到最低的0.249，較基體的0.315降低了20.95%。由于獨特的電子結(jié)構(gòu)，非晶合金具有較低的表面能，進而使其具有較低的摩擦因數(shù)，因此摩擦?xí)r的非晶顆?？梢越档蛯δc試樣間的摩擦力，減小材料摩擦因數(shù)。此外，非晶合金在摩擦過程中表現(xiàn)出“碾抹”作用[23]，磨屑中的非晶顆粒受到擠壓以滾碾的方式運動，在摩擦面被碾壓抹平，使得磨損面變得平整，同樣減小了摩擦過程中的摩擦力，從而降低了材料磨損率。當(dāng)非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加至50%時，平均摩擦因數(shù)增加至0.291，高于其他4組復(fù)合摩擦材料，這是因為酚醛樹脂基體與非晶顆粒的熱膨脹系數(shù)相差較大，且非晶含量較高，在摩擦過程中由于溫度的升高，導(dǎo)致基體對非晶顆粒的包覆效果減弱，顆粒從基體中脫落形成磨屑，脫落后的磨屑不均勻地分布于摩擦副，使得摩擦表面粗糙度升高，進而導(dǎo)致平均摩擦因數(shù)增大。與非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)30%與40%的試樣相比，這種脫落發(fā)生在摩擦面，未造成磨痕深度增加，且非顆粒質(zhì)量分數(shù)50%的試樣的磨痕寬度進一步減小，因此試樣的磨損體積及體積磨損率降低。結(jié)合前文分析，非晶合金質(zhì)量分數(shù)在30%～40%是較為合適的范圍。

圖7 不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率

2.4 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料磨損機制的影響

圖8所示是不同F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3質(zhì)量分數(shù)摩擦材料磨損表面顯微形貌的SEM照片，摩擦方向為水平方向。圖8(a)、(b)中的磨痕表面存在大量的魚鱗狀裂紋，材料發(fā)生翹邊。這是因為在較長時間的摩擦磨損試驗過程中，材料摩擦面的次表層在法向和切向應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，并逐步形成裂紋；裂紋沿著平行于表面的方向擴展，而后折向摩擦表面，形成魚鱗狀裂紋；在磨球的反復(fù)擠壓下，部分魚鱗片膜層會剝落，形成圖8(a)、(b)中的剝落坑，此時的磨損機制為接觸疲勞磨損。

如圖8(c)所示，當(dāng)非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)增加至20%以上時，磨損表面與圖8(a)、(b)相比較為平整。圖8(c)中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象以及犁溝帶，犁溝較深且寬度較寬，這是因為在摩擦磨損過程中會產(chǎn)生大量磨屑，磨屑在法向力的作用下被壓入材料表面，又在切向力的作用下向前推進，形成犁溝帶。此外，圖8(c)中仍存在部分魚鱗狀裂紋，說明當(dāng)非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%時，磨損機制主要為磨粒磨損和接觸疲勞磨損。

如圖8(d)所示，質(zhì)量分數(shù)為30%的試樣磨損表面平整光滑，犁溝寬度變窄，方向整齊，摩擦表面剝落情況得到很大改善。此時的磨損機制主要為磨粒磨損。

如圖8(e)所示，非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)為40%的試樣摩擦表面存在小的剝落坑，同時可以觀察到裂紋以及裸露于摩擦表面的非晶顆粒。這是因為在摩擦磨損試驗過程中，摩擦表面的基體對非晶顆粒的包覆效果逐漸減弱，最終造成非晶顆粒的脫落。

如圖8(f)所示，非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)為50%的試樣在摩擦磨損試驗時，發(fā)生了樹脂基體與非晶顆粒的脫落，在磨損表面留下較大面積的剝落坑。由于酚醛樹脂與Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶顆粒的熱膨脹系數(shù)相差較大，并且此時試樣中含有較多的非晶顆粒，摩擦過程中溫度的升高使得酚醛樹脂與金屬顆粒的機械結(jié)合效果減弱，存在于摩擦面表層及次表層的非晶顆粒在循環(huán)切應(yīng)力下逐漸掙脫基體的束縛黏著到對摩件上，兩摩擦表面發(fā)生相對運動后，黏著點被剪切，同時又形成新的黏著點，并且黏著到對摩件上的顆粒又附著到試樣摩擦面上，形成反黏著。摩擦表面不斷發(fā)生黏著點的剪切、黏著和反黏著，從而形成磨屑，造成較大面積的脫落，在摩擦表面形成脫落坑與凹坑，此時的磨損機制主要是黏著磨損。

3 結(jié)論

(1)Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶顆粒的加入，改善了酚醛樹脂摩擦材料中裂紋及氣孔等缺陷，提高了材料硬度。其中非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)30%、40%時試樣的硬度為67.6～73.6HRB，為摩擦材料合適的硬度范圍。

(2)不含F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3非晶顆粒的酚醛樹脂摩擦材料磨損機制主要為接觸疲勞磨損，隨著非晶顆粒含量的增加，磨損機制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp和黏著磨損，并伴隨著輕微接觸疲勞磨損。

(3)隨著非晶顆粒含量的增加，F(xiàn)e52Cr15Mo26C3B1Y3非晶/酚醛樹脂摩擦材料的體積磨損率逐步降低，而平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先降低而后升高的趨勢，當(dāng)非晶顆粒質(zhì)量分數(shù)40%時試樣的摩擦因數(shù)最小。